引洮供水二期主体工程第35标段引水隧洞施工技术

张永鹏，吴建东

(1.甘肃省水务投资有限责任公司， 甘肃 兰州 730000; 2.甘肃省水利科学研究院，甘肃 兰州 730000)

1 工程概况

引洮供水二期主体工程施工第35标段隧洞总长7641m，为1#隧洞洞身及出口段，2#、5#隧洞进出口及洞身段，6#洞进口段。本工程隧洞衬砌采用钢筋混凝土，隧洞为砂砾岩，砂砾岩强度低，比较分散，所以成岩较差。局部层位含砂量高，遇水易出现流沙，地质情况较差，隧洞开挖、支护难度较大。由于地质较差，所以在隧洞开挖施工中需要根据地质情况做一些支护措施，以确保施工人员的安全和施工进度。比如采用管棚法、砂浆锚杆法、系统锚杆、型钢拱架支撑等的使用几乎贯穿整个隧洞，施工难度大，强度高，对工程进度影响较大。通过分析该工程的地质情况可知，该工程1#—6#引水隧洞的开挖与支护是施工的难点，因此本文我们主要介绍对该工程6个引水隧洞的土洞、石洞开挖及支护等措施。

2 隧洞开挖

2.1 土洞开挖

土洞洞壁稳定性较差，所以土洞开挖后必须进行支护。该工程土洞开挖后采用骨架护坡法来进行洞身支护。为防止水流对土洞的冲刷，使用排水沟排出水流。洞身采用全断面一次开挖预留核心土法，持短进尺原则施工。开挖完毕后快速进行初喷、布设锚杆、挂网或钢支撑的施做等初期支护[1-3]。

2.2 石洞开挖

石质洞室采用新奥法施工，采用光面爆破，根据围岩地质情况选定单循环进尺。通过喷锚联合支护增强围岩的稳定性[2-7]。

(1)炮眼数目

炮眼数目的多少直接影响爆破效果，暂按巷道断面和岩石坚固性系数估算：

(1)

式中，f—岩石坚固性系数；S—开挖面积，为7m2；N—炮孔数目。

(2)炮眼装药量

掏槽眼、辅助眼装药量分别按下式计算：

Q1=η×L×r=0.6×1.8×1=1.08kg

(2)

Q2=η×L×r=0.6×1.6×1=0.96kg

(3)

式中，η—炮眼装药系数；取η=0.6；L—眼深；r—每m长度炸药量，r=1kg/m。

(3)炮眼直径为42mm。

(4)掏槽眼深1.8m、辅助眼深1.6m、底眼深1.6m。

(5)光面爆破参数

周边孔间距计算：

a=(10-15)d

(4)

(5)

式中，a—孔间距，mm；m—密集系数；W—抵抗线，m；d—钻孔直径，mm。

光面爆破参数见表1。

表1 光面爆破参数

(6)炮眼布置图

设计炮眼布置图及爆破参数如图1及表2所示。

图1 围岩起爆顺序及爆破参数图

表2 炮孔参数表

(7)爆破网络连接

爆破前提前准备好爆破材料。装填完毕后，使用“簇联”法连接爆破线。隧洞钻孔爆破装药示意图如图2所示。

3 隧洞支护

3.1 隧洞支护概述

隧洞进口段、洞身段、出口段围岩为Ⅴ类[8]，分类见表3。

表3 隧洞围岩分类

针对本工程工程第35标段1#—6#引水隧洞围岩稳定性情况，隧洞开挖期间的临时支护措施采用柔性支护和刚性支护相结合的方案。隧洞开挖期间的洞身柔性支护主要使用锚喷支护[2-3，5-7]，具体的施工顺序包括混凝土喷射、锚杆安装及挂钢筋网。洞身的刚性支护主要指钢架支护。①超前支护：本工程隧洞洞身开挖期间在顶拱180°的范围内使用超前系统钢管管棚法进行支护，管棚的环向间距设置为30cm，长度设置为3m。②锚杆：该隧洞支护使用的锚杆规格为Φ18水泥基药卷系统锚杆，锚杆安装的排距设置为1.0m，锚杆布置为梅花型布置，排距为1.0m。③钢筋网：拱顶180°范围Φ6.5@200×200。④拱架：该隧洞支护使用钢筋规格为I12钢架，钢架的支撑间距设置为0.6m。⑤喷混凝土：混凝土喷射厚度设置为100mm。我们选取锦屏水库输水渠1#隧洞衬砌断面钢筋图作为配筋案例，如图3所示。

3.2 普通锚杆支护

本工程砂浆锚杆支护先按照设计要确定孔位，再钻孔。钻孔完毕后。使用高压水枪冲洗孔洞直至钻孔流出的水干净。锚杆的支护先注浆，后插锚杆，砂浆填满孔洞后，使用钻机插入锚杆。最后对孔口进行填堵。锚杆埋设完成后，进行洞身挂网支护，现场编制钢筋挂网，按照3m间距编制纵横向钢筋网后，将锚杆与钢筋网焊接在一起。挂网施工完成后，进行喷混凝土施工，喷射混凝土覆盖钢筋网。

图2 钻孔爆破装药示意图

图3 隧洞断面衬砌配筋图

3.3 喷射混凝土支护

(1)施工准备

施工前必须先检查施工机械以确保施工的进度和施工人员的安全问题。喷混凝土前清理竖井表面，使用高压水枪冲洗壁面，确保表面没有泥土并埋设判断混凝土喷射厚度的标志。

(2)喷射混凝土

喷混凝土前清洗喷射面，放置壁面残留有泥土等，进而影响施工质量。清洗完喷射面后，混凝土的喷射自下而上进行。喷完一段后再进行下一块的喷射，依次进行。为确保混凝土凝结较好，保证初期强度，混凝土的喷射分次进行。喷射后的混凝土初凝后再进行下一次的喷射作业。第一次喷射的混凝土达到初凝状态可以保证施工质量，便于下次喷射施工的进行。每次混凝土的喷射厚度控制在5cm。

隧洞断面的的钢筋支护必须按照相关规程、规范与标准的规定执行[10-13]。该隧洞混凝土的强度等级设计为C25，抗冻等级设计为F50，抗渗等级设计为W4。支护钢筋规格采用HPB235及HRB400级，混凝土保护层厚度设计为35mm，缝端处20mm。①号钢筋焊接点每排只能选择选用焊接点a或b，相邻2排焊接点错开布置。②号钢筋焊接点每排只能选择选用焊接点c或d，相邻2排焊接点错开布置。⑥号、⑦号钢筋纵向隔排(相对环向筋)梅花形布置，间距400mm。钢筋搭接采用焊接。隧洞断面具体的支护及衬砌如图4所示。

隧洞Ⅴ类围岩及土质隧洞一次支护完成后，采用监控量测措施量测周边位移及顶拱下沉。进出口加强段的锁口段、断层破碎带及土质隧洞等自稳性差的洞段，依据围岩稳定情况，顶拱180°范围内采用超前管棚法施工[11]。通过管棚进行超前注浆加固围岩，进出口加强段及土洞使用超前管棚，洞段的使用范围依据开挖的围岩状况确定。

4 隧洞混凝土衬砌

衬砌段隧洞开挖结束后，由内往外后退式先进行底板清理再进行混凝土衬砌。输水隧洞混凝土衬砌采用简易拼装式钢模台车。

4.1 洞身岩面及地板清理

衬砌前使用水枪和高压风清理洞身面的残渣和块石。隧洞洞身的残渣与块石被清理后还要使用高压水枪冲洗，避免隧洞表面还有残留物影响混凝土衬砌质量。隧洞清底以100m为一段，提前衬砌施工。采用机械清底渣，辅以人工配合清理底细渣，农用三轮车运输。底板清洗干净、积水排干后再进行底板干硬性砼施工。

4.2 混凝土浇筑

隧洞衬砌混凝土按照设计要求拌制完成后，进行混凝土入仓浇筑作业。混凝土在浇筑入仓完成后为使混凝土浇筑均匀、密实，使用振捣器振捣摊平混凝土。在进行混凝土浇筑时控制两侧混凝土均匀上升，防止出现浇筑不均匀从而影响浇筑质量。在侧拱、顶拱使用插入式振捣器振捣混凝土。为避免出现漏振，振捣时将振捣器插入下层混凝土15 cm。为使浇筑的混凝土与岩面紧密结合，在拱顶采用封拱器。封拱器可以将浇筑的混凝土慢慢压进洞身壁面，防止出现浇筑不密实、洞身岩面与混凝土接触不良等现象。各隧洞衬砌主要工程量见表4。

表4 各隧洞衬砌主要工程量 单位：m3

4.3 钻孔灌浆工程

本工程的钻孔工程主要包括钻芯取样孔、锚杆孔等钻孔施工。灌浆采用水泥浆。本工程主要涉及的灌浆作业包括回填灌浆作业、固结灌浆作业和接触灌浆作业。灌浆采用同种方式，回填灌浆范围顶拱120°，间距2～3m，2～3孔/排，梅花型布置。富水及破碎段排水孔加密布置。

图4 隧洞断面支护设计图

5 隧洞开挖应急处理措施

本工程输水隧洞具有洞线长、围岩岩性差等特点，地下隧洞施工中遭遇不良工程地质问题不可避免，且长距离、较大埋深增大了地质问题的复杂性。

5.1 浅埋段及地下塌方处理措施

为防止出现塌方，临时支护主要采用系统工字钢、水泥基药卷系统锚杆、挂网喷C20混凝土，顶拱120°～180°范围内再采用管棚超前支护。

5.2 断层破碎段处理措施

(1)对一般断层破碎带，可采用超前注浆小导管或超前中空注浆锚杆提前对掌子面前方边、顶拱岩体进行预加固[14]，开挖导洞并采用临时支护，对隧洞围岩进行封闭支护，在围岩变形稳定后适时采用对破碎带进行永久混凝土衬砌。

(2)隧洞开挖一旦穿越岩溶区时，若该区处在含水层及地下水暗河，则易引起涌水。一旦隧洞开挖遇见大型断层破碎带需要进行止水处理时，一般在距离破碎带5～8m时，由下而上，由里而外、先无水孔后有水孔的顺序对洞周围破碎带进行超前灌浆预加固形成止水层。形成的止水层不仅可以切断地下水的流动通道。该止水层还可以封闭隧洞断面的出水口裂缝。阻止水流对岩土的冲刷，从而提高岩体的强度和自稳定能力。

(3)在断层破碎带喷锚支护结束时，设置变形监测装置检测围岩的变形情况。

6 结语

本文详细叙述了对于围岩稳定性差且开挖距离又长的引水隧洞的开挖、支护、衬砌等施工过程。文中详细描述了新奥法施工中的爆破参数计算过程以及工程对塌方、断层破碎带、地下突涌水现象的应急处理方案。该工程石洞开挖爆破眼、装药量等的计算、衬砌支护的设计可为类似工程的开挖爆破、洞身衬砌提供借鉴；结合工程特点的相应应急处理措施可为复杂地质条件的隧洞施工提供一种较为全面具体的施工方案。